纳米医药 第11章-纳米生物医用材料.doc

第11章 纳米生物医用材料 11.1 概述 生物医用材料（Biomedical materials）是对生物体进行诊断、治疗和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料，又称为生物材料(Biomaterials)。它是材料科学技术中的一个正在发展的新领域，其研究涉及细胞生物学、材料科学、工程技术、临床医学等广阔领域。它可以是天然产物，也可以是合成材料或是它们的结合，还可以是有生命力的活体细胞或天然组织与无生命的材料结合而成的杂化材料。与生物系统直接接合是生物医用材料最基本的特征，如直接进入体内的植入材料、人工心肺、肝、肾等体外辅助装置中与血液直接接触的材料等[1,2]。 随着生物医用材料研究的不断发展，其应用范围也在不断扩大。例如骨、关节、肌肉等骨骼/肌肉系统修复和替换材料；皮肤、呼吸道等软组织材料；人工心脏瓣膜、血管、心血管内插管材料；血液净化分离的过滤器；为尿毒症患者解毒的透析装置，即人工肾、人工肝脏等；再如组织粘合剂和缝线材料；药物缓释载体材料；临床诊断及生物传感器材料等等。 直至20世纪80年代中期生物医用材料一直被定义为是一种无生命的材料，或惰性材料。80年代末随着生物技术研究的进展，基于生物衍生材料，特别是与宿主具有同源性的生物衍生材料的成功使用和杂化人工组织和器官的构成，人类已开始将生物技术应用于生物材料的研制。在材料结构及功能设计中引入生物构架——活体细胞，也就是利用生物要素和功能去构成所希望的材料。即利用生物技术赋予“无生命”的材料以“生命”功能。这种新型材料包含有活体细胞、组成细胞的物质，以及细胞产物和模拟细胞生物合成的人工合成物质。其研究和发展创造了一个新的学科领域，即组织工程学，主要用于人体自身组织和器官的再生与重建。21世纪的生物医用材料的主要研究内容将是有生命活性的材料，利用生物学原理可以设计和制造的真正仿生的材料[1,2]。 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。随着纳米科技的发展，纳米技术被广泛应用于生物医用材料的研究中，具有纳米尺度的生物医用材料称为纳米生物医用材料[3,4]。 在自然界，天然纳米材料早就存在，自然界的蛋白质就有许多纳米微孔；人类及兽类的牙齿，也是由纳米级有机物质所构成。 纳米生物医用材料在生物医用材料领域的研究与应用目前尚处于初始阶段，但它所具有的独特结构特征使它显示出优异的性能，代表着生物医用材料的重要发展方向。 纳米材料在生物和医学上的应用已经开始。最引人注目的是利用纳米粒进行细胞分离、细胞染色及利用纳米粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗，或制作人体生物医用材料，如人工肾脏、人工关节等。早在20世纪80年代初，人们就已开始利用纳米粒进行细胞分离，建立了用Si02纳米粒实现细胞分离的新技术。 癌症、肿瘤手术后要进行放射性辐照，以杀死残存的癌细胞，但与此同时大面积辐照也会使正常细胞受到伤害，尤其是会使对生命极端重要的具有造血功能和免疫系统的骨髓细胞受损害，所以在辐照治疗前将骨髓抽出，辐照后再重新注入，但在较多的情况下癌细胞已扩散到骨髓中，因此再把癌细胞从骨髓液中分离出来是至关重要的，否则将含有癌细胞的骨髓液注回辐照治疗后的骨髓中还会旧病复发。 利用磁性纳米粒分离癌细胞的技术主要采取约50nm的Fe304纳米粒，包覆聚苯乙烯后直径为3μm，用于小鼠骨髓液中癌细胞分离的实验。首先从羊身上取出抗小鼠Fc抗体(免疫球蛋白)，然后与上述磁性粒子的包覆物相结合。将小鼠带有正常细胞和癌细胞的骨髓液取出，加入小鼠杂种产生的抗神经母细胞瘤(尚未彻底分化的癌化神经细胞)单克隆抗体，此抗体只与骨髓液中的癌细胞结合。最后将抗体和包覆层的磁性粒子放入骨髓液中，它只与携带抗体的癌细胞相结合。利用磁分离装置很容易将癌细胞从骨髓中分离出来，分离度达99.9％以上[3,4]。 由于纳米粒比血红细胞还小许多，可以在血液中自由运行，因而在疾病的诊断和治疗中发挥独特作用。美国MIT已成功研究了以磁性纳米材料为药物载体的靶向药物，磁性纳米粒表面涂覆高分子，在外部再与蛋白相结合，这种载有高分子和蛋白的磁性纳米粒作为药物的载体，经过静脉注射到动物体内(小鼠、白兔等)，在外加磁场下通过纳米微粒的磁性导航，使其移向病变部位，达到定向治疗的目的，因而又称为纳米生物导弹。它可以直接用于治疗各种细胞水平的疾病，对病变组织有亲和力，对病变细胞有杀伤力。例如，对肿瘤的治疗而言，放疗、化疗、外科手术以及器官移植等现行的治疗方法，仅能弥补疾病后果或推迟死亡。用组织工程学技术修复因肿瘤等疾病引起的组织缺损时，首先要解决的问题之一就是肿瘤的复发问题。这种纳米“智能炸弹”，可以特异性地识别出癌细胞的化学特征，导